datasheet

嵌入式系统中电源管理电路的设计与实现

2018-02-04来源: eefocus 关键字:嵌入式系统  电源管理

    针对大部分嵌入式系统的电池电源管理问题,设计了一种为嵌入式系统——尤其是应用在手持式和便携式设备的嵌入式系统进行电源管理的单元电路模块。该电源管理电路以MAX8903为核心,具有输入范围宽、体积紧凑、外围电路简单、工作效率较高等优点,可以在嵌入式系统中用来管理电池充电、电源选择、电源检测等,很好地满足了电源管理单元的功能需求。

    1系统简介


    电子电路集成工艺的飞速发展使计算机系统体积不断缩小,性能不断地提升,同时移动通信技术的发展让这些计算机系统更加的便携,许多便携式计算机开始使用电池供电。高性能运算通常伴随着高功耗,而电池技术的严重滞后和人们环保意识的增加使得性能和功耗之间的问题越发突出。电源管理技术的出现缓和了两者之间的矛盾,通过有效的电源分配降低系统的整体功耗。电源管理技术在桌上型计算机、服务器上十分常见,然而在嵌入式领域,由于嵌入式系统的开发通常是针对特殊的应用场合,电源管理技术发展相对缓慢。本文以一个完整的嵌入式系统手持终端设备为例,对系统的电源管理电路进行了设计,以ARM为控制中心,内部包含256 MBDDR内存和512 MB NandFlash存储器,提供异步串口、USB、WiFi、AC97、显示等电路单元。充电接口包括USB和交流适配器两种接口,其中交流适配器输出电压范围在5~12 V之间,提供大于1 A的输出电流。

    电源部分主要包括:电池检测电路、电池充电电路、电源智能选择器、DC-DC转换、电源控制电路等。

    2电源管理电路分析

    2.1充电管理芯片介绍

    充电管理芯片选用MAXIM的MAX8903A,基本特性如下:

    (1)4.15 V~16 V的高效DC-DC输入范围,不需要设计散热器,有利于设计体积小的设备;

    (2)公用或单独的USB和适配器输入,具有高达2 A(可调)的电流上限;

    (3)4 MHz开关频率允许使用微小的外部元件;

    (4)立即导通:在没有电池或电池过放电时保持工作;

    (5)50 mΩ集成负载开关;

    (6)高达16 V的输入OVP(过压保护);

    (7)热敏电阻监测,热调整功能防止过热;

    (8)充电定时器;

    (9)4 mm×4 mm、28引脚TQFN封装。

    2.2电源管理电路分析

    系统接成双输入外接电源模式(交流适配器和USB)。连接交流适配器时,芯片通过内部高效的DC-DC降压转换器,单独或同时提供系统工作电源和电池充电电源。当连接USB外接电源时,充电电流限制小于500 mA,系统负载电源大于USB供电能力时,不足部分由电池电量提供补充。智能电源选择器在外接电源和电池之间实现自动切换,保证系统的不间断供电。外接电源检测和充电检测连接CPU的GPIO端口用于系统监控电源状态。

    外接电源以交流适配器为主,不推荐使用USB连接,原因是USB供电能力有限,在系统工作状态下,完成充电需要相当长的时间。

    电源管理电路框图如图1所示。

     

     

    图1电源管理电路框图

    系统电源管理部分电路原理图如图2所示。

     

     

    图2电源管理部分电路原理图

    (1)充电电流控制

    充电电流受R8P和R9P控制,充电电流的最大值为1200/R8P,同时充电电流小于6000/R9P,其中6000/R9P直流电源限流设置。如图2所示,当R8P=1.5 kΩ、R9P=3 kΩ时,直流电源限流为6000/3000=2 A,充电限流1200/1500=0.8 A.如果R8P=1.2 kΩ、R9P=5 kΩ,直流电源限流为6000/5000 =1.2 A,充电限流1200/1200=1 A.

    本系统选用R8P=1.5 kΩ、R9P=3 kΩ。

    (2)系统电压切换

    当DCIN和USB同时接人系统电源输入时,DCIN输入优先,USB输人自动关闭。DCIN同时供给电池充电和MBAT(系统供电电源),电池还可以起到减少MBAT电压波动的作用。

    电池充电完成后,充电电路部分关闭,DCIN供给MBAT系统电源,MBAT电压稳定在4.4 V.

    (3)充电指示

    MAX8903管脚DOK是直流电源连接指示输出,低电平有效,指示灯D2P用于指示直流电源连接状态,同时信号连接到CPU的GPIO管脚,用于软件检测此状态。

    MAX8903管脚CHG是正在充电指示输出,低电平有效,指示灯D3P用于指示充电状态,同时信号连接到CPU的GPIO管脚,用于软件检测充电状态。

    MAX8903管脚FLT是故障指示输出,低电平有效,指示灯D1P用于指示故障状态,如充电超时等。

    (4)电池温度保护

    MAX8903管脚THM到GND连接10 kΩ的负温度系数热敏电阻,用于检测充电过程中电池的温度变化,当电池温度超过设定极限温度时,暂时停止给电池充电,直到电池温度下降到安全温度范围。

    (5)DC-DC降压转换器电感选择

    DC-DC降压转换器采用开关频率值为4 MHz的控制架构,通过调整占空比实现降压转换。推荐的电感选择如表1.

    表1 DC-DC降压转换器电感推荐值

     

     

    本系统充电电流在不到1 A附近,输入电压在12V左右,选择电感2.2μH.

    (6)PCB布局

    PCB布局(局部)如图3所示。


     

    图3 PCB布局(局部)

    系统电路PCB布局为十层板设计,图中只显示顶层PCB布线。PCB布局原则:大电流部分采用短而宽的布线连接;裸焊盘采用多个过孔连接散热地,以利于散热;电流设置电阻直接接地,减少电流偏差;减小功率电流对稳压部分的影响等。


    3性能测试数据

    电源管理电路主要指标:充电效率、输出工作电压、充电电流等,电路测试连接如图4所示。

     

     

    图4电源管理电路测试连接图

    3.1外接电源电压固定

    外接电源电压固定时,充电电流和电池电压的数据关系测试数据如表3.图5为测试数据关系示意图。

    表3外接电源电压固定时的测试数据

     

     

     

     

    图5外接电源电压固定时。充电电流和电池电压的关系

    3.2外接电源电压变化

    外接电源电压的变化对应于固定工作电流,其输入电流和电源转换效率的测试数据见表4.图6为测试数据关系示意图。

    表4外接电源电压变化时的测试数据

     

     

    图6外接电源电压变化时的输入电流和

    以上测试数据反映系统正常工作需要的外接电源需求。

    4结论

    在嵌入式系统中,电源管理单元是系统必需的重要组成部分。在本系统中,以MAX8903为核心的电源管理电路单元以其输入范围宽、体积紧凑、外围电路简单、工作效率较高等优势,很好地实现了电源管理单元的功能需求。


关键字:嵌入式系统  电源管理

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mcu/article_2018020437677.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:基于嵌入式Linux的视频循环录制系统解析
下一篇:基于ARM7系列芯片嵌入式平台上实现的设计方案解析

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

Hyperstone将亮相在2018深圳国际嵌入式系统展上

康斯坦茨,德国 04 12 2018 – 闪存控制器设计公司Hyperstone,确定将于2018年12月20日至22日在中国深圳会展中心9号馆所 举办的深圳国际嵌入式系统展上展出。  展会期间参观摊位1A53,了解Hyperstone提供的闪存控制器和配套的软件解决方案;这些广泛的产品组合旨在最具挑战性的应用之下实现可靠的存储。这将侧重于闪存控制器的产品组合,用于实现最安全、坚固耐用的工业用闪存盘。解决方案涵盖CF卡、USB、SATA、SD和eMMc控制器,适用于高耐用性的内存模块和记忆卡,以及板上电子盘执行。  为了补充闪存控制器
发表于 2018-12-04
Hyperstone将亮相在2018深圳国际嵌入式系统展上

嵌入式系统联谊会10周年纪念活动圆满结束

2018年11月24日,“嵌入式系统联谊会10周年纪念暨嵌入式系统联谊会第24次会议”在北航隆重召开。全国各地从事嵌入式教育、研发和科技媒体界的朋友们近200人汇聚一堂,共同回顾了过去10年里嵌入式系统联谊会的发展历程以及为推动嵌入式技术发展所做的点点滴滴,同时,一起展望了嵌入式技术未来的发展趋势,用嵌入式系统独有的视角诠释大科技!嵌入式系统联谊会委员北航何立民、北理工马忠梅、北工大韩德强、北大林金龙、天大郭玮,太原理工常晓明和北邮邝坚教授,以及孙加兴和曹重英博士到会。会议由嵌入式系统联谊会秘书长何小庆主持,北京航空航天大学资产公司副总经理、北航科技园总经理、北航文化传媒集团总经理刘小龙先生为本次会议致辞。刘总对联谊会成立10周年
发表于 2018-12-03
嵌入式系统联谊会10周年纪念活动圆满结束

庆祝嵌入式系统联谊会正式成立10周年,第24次即将上演

2018年是嵌入式系统联谊会正式成立10周年,过去的10年里,在嵌入式系统产学研各界朋友的支持下,联谊会成功地举办了23次主题讨论会,讨论的议题涉及嵌入式系统、集成电路、物联网和人工智能等多个技术和产业领域,以及教育和人才培养。嵌入式系统联谊会主题讨论会举办地从北京延伸到上海、深圳和成都, 超过2000人次参加了我们的会议,媒体报道超过160余篇,《单片机与嵌入式系统应用》《电子产品世界》等媒体写了专题报道。此外,联谊会还与其他知名的机构合作协办了若干场相关的产业活动。在不懈的努力之下,嵌入式系统联谊会在中国嵌入式系统业界具有了一定的知名度!11月24日,上午主题讨论会是一场大型的报告会,主题是“物联网与人工智能时代的嵌入式系统
发表于 2018-11-12
庆祝嵌入式系统联谊会正式成立10周年,第24次即将上演

干货:如何快速开发嵌入式系统的交互界面?

串口屏 2010年以前的串口屏大多是通过上位机将要显示的内容预先下载到屏幕中,然后发送预设指令将各种界面显示出来。2014年后,功能更强大的组态屏使串口屏的产业链日趋成熟。由于串口屏的显示依赖其自带的库,所以其显示灵活度在一定程度上依旧受限。  图2  组态串口屏(图片来源网络) 2 . 嵌入式QT/E 相比于直接使用串口屏,嵌入式的QT/E的灵活度、自由性极大丰富。嵌入式的QT/E可以认为是QT在linux上的的精简版,它在底层摒弃了Xlib库以适应嵌入式应用的开发。使用 Qt 只需一次性开发应用程序,无需重新编写源代码,便可跨不同桌面和嵌入式操作系统部署这些应用程序
发表于 2018-09-19
干货:如何快速开发嵌入式系统的交互界面?

论存储芯片对国家发展的重要性

嵌入式系统芯片的概念在存储行业的具体应用,无论是系统芯片还是存储芯片,都是通过在单一芯片中嵌入软件,实现多功能和高性能,以及对多种协议、多种硬件和不同应用的支持。  存储芯片可分为易失性存储器和非易失性存储器,目前主流的存储器是DRAM与NAND Flash,两者占存储器市场的九成以上。  存储芯片的作用  存储芯片的作用是为访问性能、存储协议、存储介质等多种应用提供高质量的支持。随着大数据、云计算等更为复杂的场景,对存储芯片性能提出了更高的要求,这也为国产存储芯片企业提供了机遇。  存储芯片除了满足基本的存储功能,未来,带有各种处理器内核的SoC以及集成更多处理能力的FPGA产品将成为市场新需求。对于存储市场而言,借助FPGA来实施
发表于 2018-08-07
论存储芯片对国家发展的重要性

ADI全新嵌入式系统发布,大大提升汽车音频系统性能

ADI今天推出一款嵌入式系统,用于为电动(EV)和混合动力汽车(HEV)产生发动机声音。通过采用ADSP-BF706数字信号处理器和电动汽车警示音系统(EVWSS)固件,北美和全球其他地区的汽车制造商能够满足电动和混合动力汽车低速行驶时对外部发动机声音的未来安全规范要求。 ADI解决方案包含完整的硬件和固件参考设计。利用ADSP-BF706或ADAU1450数字音频处理器扩展后,分别可用于高性能应用或入门级应用。ADSP-BF706也可用于制造车舱内的发动机声,帮助改善车主的驾驶体验。ADSP-BF706采用存储器映射四通道SPI存储器,能够更快速、更便捷地访问存储的用于产生发动机声音的音频文件。它最多可以同时访问24
发表于 2018-07-17
ADI全新嵌入式系统发布,大大提升汽车音频系统性能

小广播

何立民专栏

单片机及嵌入式宝典

北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2018 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved
pt type="text/javascript" src="//v3.jiathis.com/code/jia.js?uid=2113614" charset="utf-8">